Лекционный материал по Теме 1.

«Гидробиологический мониторинг“
Основное свойство планеты Земля – обилие воды,
которая покрывает более чем 71 % со средней
глубиной 3800 м.
Более 99 % необъятной гидросферы находятся в
океанских глубинах.
1
Вода в биосфере
Объем
(тыс. км3)
Океаны
Полярные льды, ледники
Грунтовые воды
Озера пресноводные
Озера соленые
Влага в почве и грунте
Реки (водотоки)
Атмосферная влага
(пары)
%
Период
обновления
1 370 000
29 000
97.6
2.1
3100 лет
16 000 лет
4067
126
104
67
1.2
14
0.3
0.009
0.008
0.005
0.0001
0.0009
300 лет
1-100 лет
10-1000 лет
280 сут.
12-20 сут.
9 сут.
2
Гидробиология изучает взаимодействие обитателей вод - гидробионтов, их
популяции и сообществ – биоценозов друг с другом и с неживой природой.
Лимнология (Limnology) изучает структурные и функциональные
взаимоотношения организмов - обитателей внутренних вод, испытывающих
воздействие изменяющихся физических, химических и биотических условий
среды.
Пресноводная экология (Freshwater ecology) изучает структурные и
функциональные взаимоотношения обитателей пресных вод, испытывающих
воздействие изменяющихся физических, химических и биотических условий
среды.
Направления общей гидробиологии:
• аутоэкология,
изучающей
проблемы
физиологических
аспектов
жизнедеятельности гидробионтов на организменном уровне (интенсивность
метаболизма, закономерности питания, рост массы тела и т.д.);
• демэкология, связанной с изучением динамики популяции и явлениями их
взаимодействия (конкуренции, доминирования, регулирования численности и
т.д.);
• синэкология
или
экологии
сообществ,
исследующей
специфику
надорганизменных форм жизни – популяции и биоценозов, обладающих
определенной структурой, функциями и характером взаимодействия
с
3
окружающей средой.
Предметом
исследований
гидробиологии
являются экологические процессы в водной среде, т. е.
процессы взаимодействия гидробионтов, их популяций
и сообществ между собой и с абиотическими
компонентами водных экосистем.
Цель гидробиологии - понимание экологических
процессов, происходящих в водной среде, и
управление ими с целью оптимизации управления
водными ресурсами.
Основной задачей гидробиологии является
изучение экологических процессов в гидросфере в
интересах ее освоения и оптимизации взаимодействия
человеческого общества с водными экосистемами.
4
Гидробиология решает следующие главные теоретические задачи:
•
•
1.
2.
3.
4.
5.
изучение
общих
внутренних
закономерностей
структурнофункциональной организации водных экосистем, которые и
определяют круговорот вещества и поток энергии в них;
исследование зависимостей круговоротов вещества и потоков энергии
от факторов внешней среды, в том числе и антропогенных.
Конкретные практические задачи гидробиологии:
Повышение биологической продуктивности водоемов для получения
из них наибольшего количества биологического сырья.
Разработка биологических основ обеспечения людей чистой водой, в
том числе оптимизация функционирования экосистем, создаваемых
для промышленной очистки питьевых и сточных вод.
Экспертная оценка экологических последствий зарегулирования,
перераспределения и переброски стока рек, антропогенного изменения
гидрологического режима озер и морей.
Оценка вновь создаваемых промышленных, сельскохозяйственных и
других предприятий для водных экосистем с целью охраны последних
от недопустимых повреждений.
5
Мониторинг состояния водных экосистем.
Разделы в гидробиологии:
• продукционная
гидробиология
–
повышение
продуктивности водоемов и получение из них
наибольшего количества биологического сырья в
результате промысла водных организмов;
•санитарная гидробиология – аналитический контроль
качества воды и поиск мер обеспечения людей чистой
водой;
•техническая и навигационная гидробиология решают
различные
задачи,
связанные
с
обеспечением
качественной
водой
промышленного
или
сельскохозяйственного производства, с проблемами
использования
водоемов
в
качестве
водоемовохладителей, сооружением и функционированием
каналов,
оросительных
систем,
водоснабжения
6
населенных пунктов.
В общей гидробиологии можно выделить:
• бентологию - занимается экологическими процессами, проходящими на
дне водоемов и водотоков
• планктологию - занимается экологическими процессами, проходящими в
толще вод.
Частная гидробиология изучает направления:
• трофологическое (пищевые связи, биологическая трансформация веществ),
• энергетическое (поток энергии, ее биологическая трансформация),
• этологическое (поведение гидробионтов),
• токсикологическое (влияние токсикантов на гидробионтов и экосистемные
процессы),
• радиологическое (вопросы, связанные с поступлением в водоемы
радионуклидов),
• палеогидробиологическое (выявление исторических изменений водных
экосистем),
• системное - изучает организацию биосистем в гидросфере, основываясь на
принципах системного подхода, т.е. используя общую теорию систем, она
изучает самоорганизацию, саморегуляцию и управление биосистемами. 7
• и ряд других.
Основные методы в гидробиологии:
Отбор проб зообентоса
Дночерпатели для отбора количественных проб
Экмана-Берджа
Пэтерсона (в 1909 г.)
8
Отбор качественных проб зообентоса на
мелководьях и в ручьях
Сачок-скребок
9
Отбор проб зоопланктона
Сеть Джеди
(количественные пробы)
Сеть Апштейна
(качественные пробы)
10
Отбор проб фитопланктона
Батометр
Планктонная сетка
11
ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГИДРОБИОЛОГИИ
• 1650 г. Б. Варениус выделил четыре типа озер по присутствию или отсутствию
притоков и поверхностного стока.
• 1674 г. Антуан ван Левенгук описал микроскопическую водоросль спирогиру,
некоторые особенности динамики водорослей в озерах, влияние на нее ветра.
• 1730 г. де Дулье описал и измерил сейши (стоячие волны, возникающие в замкнутых
или частично замкнутых водоемах).
• 1780 г. Соссюр описал тепловую стратификацию озер.
• 1810 г. Сэр Джон Лесли изучил формирование физической структуры водного тела
некоторых шотландских озер под воздействием поступления света и тепла, ветра,
температуры воды.
• 1819 г. Де ла Беш описал металимнион (слой температурного скачка, термоклин) в
Женевском озере.
• 1826 г. Де Кандолль выполнил первое научное описание цветения водорослей в
озере.
• 1845 г. Й. Мюллер описал планктон.
• С 1872 г. образуются первые морские биологические станции, а затем возникают и
биологические станции для изучения пресноводных водоемов.
• Создаются устройства для количественного учета гидробионтов. В. Гензен в 1887 г.
изобретает орудие лова планктона – специальную коническую сеть из мелкоячеистого
12
шелкового сита («газа»). Й. Петерсен разрабатывает дночерпатель.
Становление и задачи санитарной гидробиологии
• методы биологического анализа:
o в Германии физиолог Кольквитц и зоолог Марссон предложили систему
сапробности (1902-1908), которая разработана на основе встречаемости
(отсутствия) определенных (индикаторных) организмов, характерных для
той или иной степени загрязнения вод (преимущественно бытовыми
отходами).
o в России данном направлении успешно работали гигиенисты и
гидробиологи Скориков А.С., Балахонцев Е.Н., Артари А.П. и особенно
Никитинский Я.Я. и Долгов Г.И. (1972), которые внесли новое в систему
Кольквитца-Марссона.
Они
выделили
содержание
санитарной
гидробиологии в исследованиях 1) процессов самоочищения; 2) степени и
характера загрязнения водоема.
13
В.И. Жадин (1964) определил Санитарную гидробиологию
как отрасль гидробиологии, ставящую цель способствовать
обеспечению человечества высококачественной водой для
сохранения жизни и здоровья, развитию промышленности и
повышению продуктивности сельского и рыбного хозяйства.
Санитарная гидробиология изучает общие закономерности
гидробиологических процессов в загрязненных водоемах.
Задачи санитарной гидробиологии: разработка основ охраны вод от
загрязнений и теории биологического самоочищения водоемов, применение
этих концепций в практических целях.
В круг исследования санитарной гидробиологии В.И. Жадин включает:
• картирование загрязнений (качества воды),
• разработку экспресс-методов определения качества воды (показательные
организмы),
• токсикологические исследования,
• экологию и физиологию гидробионтов, и их изменения в загрязненных
водах,
• самоочищение (полевое и лабораторное изучение).
14
В том же ключе А.С. Константинов, А.В. Топачевский и Я.Я. Цееб (1968)
включают в санитарную гидробиологию такие вопросы, как: оценка
качества воды, установления места и степени загрязнения, процессы
самоочищения, «цветение» воды в водохранилищах, каналах и других
водоемах.
М.М Теличенко (1972) формирует главные задачи санитарной
гидробиологии:
1) изучение процессов самоочищения водоемов;
2) стимулирование исследований по выяснению роли гидробионтов и их
метаболитов в формировании органолептических качеств воды;
3) усиление внимания к исследованиям по биологической токсации
чистой воды с математическим выражением данных этого анализа;
4) всемирное расширение работ по интродукции гидробионтов в водоемы
и очистные сооружения с целью интенсификации процессов самоочищения;
5) разработка рентабельных методов утилизации планктонных
водорослей с целью борьбы с эвтрофированием водоемов.
15
Г.Г. Винберг в 1973 г.
Санитарная гидробиология – это часть гидробиологии,
развивающая ее представления и методы применительно к
вопросам, связанным с биологическими аспектами процессов
формирования чистой воды и возобновления ее запасов.
Санитарная
же
гидробиология
разрабатывает
систему
биологической индикации чистоты вод, изучает закономерности
биологического самоочищения и формирования качества воды.
1. Г.Г. Винберг выделяет 5 основных направлений санитарных
гидробиологических исследований.
2. Изучение биологического самоочищения вод, его количественная оценка с
попытками моделирования и управления.
3. Биологическая индикация качества вод с математической интерпретацией
результатов анализа.
4. Определение закономерностей органолептических качеств воды.
5. Усовершенствование, интенсификация и отыскивание рентабельных
методов искусственной биологической очистки сточных вод.
6. Разработка новых эффективных приемов и методов для санитарногидробиологических
исследований.
Развиваются
исследования
по
биологической мелиорации водоемов, утилизации планктонных водорослей и
16
подогретых вод.